Измеритель температуры

 

Изобретение относится к области электронной техники, в частности к устройствам для измерения температуры. Измеритель температуры содержит источник опорного напряжения, биполярный транзистор, резистор, усилитель постоянного тока и индикатор. База биполярного транзистора соединена с источником опорного напряжения, а эмиттер - с резистором и инвертирующим входом усилителя постоянного тока. Источник опорного напряжения также связан с неинвертирующим входом усилителя постоянного тока, выход которого связан с индикатором. Второй вывод резистора соединен с общим проводом схемы. Изобретение позволяет расширить функциональные возможности устройства, а именно применять последнее в качестве высокоточного измерителя температуры. 1 ил.

Изобретение относится к области электронной техники, в частности к устройствам для измерения температуры.

Известны устройства /1/ для измерения температуры, в основе работы которых лежит эффект Зеебека. Но термопары обладают рядом существенных недостатков: нелинейной зависимостью термоЭДС от температуры, невысокой крутизной температурной зависимости напряжения, необходимостью термостатировать опорные выводы. Термометры сопротивления /1/ также обладают рядом недостатков, например низким сопротивлением и невысокой крутизной температурной зависимости напряжения.

Устройство /2/ обладает существенным недостатком: температурный коэффициент напряжения ЭДС, входящей в состав генератора однополярных импульсов, практически определяет погрешности устройства при измерении температуры. Оптимальным можно считать устройство, содержащее высокостабильный термонезависимый источник и датчик температуры на основе p-n-перехода, обладающий высокой линейностью.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство /3/, содержащее источник опорного напряжения, содержащий усилитель постоянного тока на основе операционного усилителя, диод на основе широкозонного полупроводника, биполярный транзистор, два токозадающих резистора, причем база транзистора соединена с анодом диода и выводом второго токозадающего резистора, эмиттер транзистора - с первым токозадающим резистором и входом усилителя постоянного тока, выход усилителя постоянного тока соединен с коллектором транзистора и вторым выводом второго токозадающего резистора, вторые выводы диода и первого токозадающего резистора соединены с общим проводом схемы.

Недостатком данного устройства является невысокая точность измерения температуры, поскольку при введении разбаланса температурных коэффициентов напряжения диода и эмиттерного перехода транзистора с целью получения температурной зависимости выходного напряжения изменяется с температурой и ток через второй токозадающий резистор и, следовательно, температурный коэффициент напряжения на диоде. В силу этого зависимость выходного напряжения от температуры становится нелинейной, что снижает точность измерения температуры.

Настоящее изобретение направлено на расширение функциональных возможностей устройства, а именно на применение его в качестве высокоточного измерителя температуры.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в устройство дополнительно введены второй биполярный транзистор, третий резистор, второй усилитель постоянного тока на основе второго операционного усилителя и индикатор, первый резистор выполнен в виде делителя напряжения, причем база второго биполярного транзистора соединена с эмиттером биполярного транзистора, а его эмиттер - с третьим резистором и инвертирующим входом второго усилителя постоянного тока, коллектор второго биполярного транзистора связан с выходом первого усилителя постоянного тока, третий вывод первого резистора, выполненного в виде делителя напряжения, соединен с неинвертирующим входом второго усилителя постоянного тока, выход которого связан с индикатором, второй вывод третьего резистора соединен с общим проводом схемы.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что в устройство дополнительно введены: второй биполярный транзистор, третий резистор, второй усилитель постоянного тока, индикатор, а первый резистор выполнен в виде делителя напряжения. Заявляемое устройство отличается от прототипа не только вновь введенными элементами, но и связями между элементами схемы, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию "новизна".

Сопоставительный анализ с другими техническими решениями позволяет сделать вывод, что предлагаемое техническое решение позволяет повысить точность измерения температуры из-за применения термонезависимого источника при сохранении высокой линейности транзисторного термодатчика.

Это позволяет сделать вывод о соответствии критерию "существенные отличия".

Функциональная электрическая схема устройства показана на чертеже.

Измеритель температуры состоит из источника 10 опорного напряжения, содержащего усилитель 1 постоянного тока на основе операционного усилителя, диод 2 на основе широкозонного полупроводника, биполярный транзистор 3, два токозадающих резистора 4 и 5, второй биполярный транзистор 6, третий резистор 7, второй усилитель 8 постоянного тока на основе второго операционного усилителя и индикатор 9, первый резистор 5 выполнен в виде делителя напряжения, причем база биполярного транзистора 3 соединена с анодом диода 2 и выводом второго токозадающего резистора 4, эмиттер первого биполярного транзистора 3 - с первым выводом первого токозадающего резистора 5, выполненным в виде делителя напряжения, входом усилителя 1 постоянного тока и базой второго биполярного транзистора 6, выход усилителя 1 постоянного тока соединен с коллекторами первого и второго биполярных транзисторов 3 и 6 и вторым выводом второго токозадающего резистора 4, эмиттер второго биполярного транзистора 6 связан с третьим резистором 7 и с инвертирующим входом второго усилителя 8 постоянного тока.

Третий вывод первого резистора 5, выполненного в виде делителя напряжения, соединен с неинвертирующим входом второго усилителя 8 постоянного тока, выход второго усилителя 8 постоянного тока связан с индикатором 9. Вторые выводы первого резистора 5, выполненного в виде делителя напряжения, третьего резистора 7 и диода 2 соединены с общим проводом схемы.

Измеритель температуры работает следующим образом.

Термостабильное напряжение генерируется как разность напряжений на прямосмещенном диоде 2 из широкозонного полупроводника и эмиттерном переходе биполярного транзистора 3.

Как следует из теории тонкого p-n-перехода, напряжение на диоде 2 при прямом смещении определится соотношением: , где Δ E_g1 - ширина запрещенной зоны полупроводника; e - заряд электрона; A₁ - некоторая величина, почти не зависящая от температуры [1]; k - постоянная Больцмана; Т - абсолютная температура; S₁ - крутизна температурной зависимости; I₀₁ - ток прямосмещенного p-n-перехода.

Аналогичным выражением описываются напряжения на переходах база-эмиттер биполярных транзисторов 3 и 6.

,
где Δ E_g2 - ширина запретной зоны полупроводникового материала, из которого изготовлены транзисторы (кремний);
S₂ - крутизна температурной зависимости напряжения на переходе база-эмиттер первого транзистора 3;
S₃ - крутизна температурной зависимости напряжения на переходе база-эмиттер второго транзистора 6.

Напряжение на первом токозадающем резисторе 5 можно найти как разностное напряжение:

Регулируя ток I₀₁ или I₀₂, добиваются равенства S₁= S₂. При этом напряжение на резисторе 5 становится термонезависимым. Это напряжение усиливается усилителем 1 постоянного тока и используется для питания каскадов выделения разностного напряжения. По этой причине напряжение на третьем выводе резистора 5, выполненного в виде делителя напряжения, оказывается также термонезависимым. Коэффициент деления выбирают таким, чтобы напряжение на неинвертирующем входе усилителя 8 постоянного тока было равно

Напряжение на третьем резисторе 7 можно найти как разностное:

Если установить I₀₃ ≠ I₀₂, то S₁= S₂ ≠ S₃, так что напряжение на резисторе 7 оказывается зависящим от температуры. Это напряжение подается на инвертирующий вход второго усилителя 8 постоянного тока.

Выходное напряжение усилителя 8 постоянного тока можно определить из выражения:
,
где Δ S =S₁-S₂-S₃ - разностная крутизна;
K - коэффициент усиления второго усилителя 8 постоянного тока.

Из уравнения (7) следует, что выходное напряжение второго усилителя 8 постоянного тока линейно зависит от температуры. Это напряжение индуцируется индикатором 9.

Регулировка разностной крутизны осуществляется подбором третьего резистора 7, а начальное показание индикатора при Т=273K=0^oC устанавливается регулировкой коэффициента деления делителя напряжения.

Отметим, что разностная крутизна Δ S ≈ -S₃ оказывается существенно выше, чем у термопары ΔS ~ 2500 мкВ/К и остается практически постоянной в широком диапазоне температур.

Главным преимуществом предлагаемого источника является питание от термонезависимого источника и высокие линейность и крутизна температурной зависимости выходного напряжения.

Источники информации
1. К. Бриндли. Измерительные преобразователи. Пер. с англ. - М.: Энергоатомиздат. 1991. С.46-58.

2. А. Л. Белоусов. А.С.СССР N SU 1673871 A1 МПК G 01 K 7/00, Б.И. N 32, 1991.

3. Ю.В. Гармаш, С.М. Карабанов. Патент Российской Федерации N RU 2119212 C1, МПК 6 H 01 L 23/58, H 03 F 1/30, БИ N 26, 1998.

Формула изобретения

Измеритель температуры, содержащий источник опорного напряжения, содержащий усилитель постоянного тока на основе операционного усилителя, диод на основе широкозонного полупроводника, биполярный транзистор, два токозадающих резистора, причем база транзистора соединена с анодом диода и выводом второго токозадающего резистора, эмиттер транзистора с первым токозадающим резистором и входом усилителя постоянного тока, выход усилителя постоянного тока соединен с коллектором транзистора и вторым выводом второго токозадающего резистора, вторые выводы диода и первого токозадающего резистора соединены с общим проводом схемы, отличающийся тем, что в устройство дополнительно вводят второй биполярный транзистор, третий резистор, второй усилитель постоянного тока на основе второго операционного усилителя и индикатор, первый резистор выполнен в виде делителя напряжения, причем база второго биполярного транзистора соединена с эмиттером биполярного транзистора, а его эмиттер - с третьим резистором и инвертирующим входом второго усилителя постоянного тока, коллектор второго биполярного транзистора связан с выходом первого усилителя постоянного тока, третий вывод первого резистора, выполненного в виде делителя напряжения, соединен с неинвертирующим входом второго усилителя постоянного тока, выход которого связан с индикатором, второй вывод третьего резистора соединен с общим проводом схемы.

РИСУНКИ

Рисунок 1